## Desain  dan Realisasi

## Filter Bandpass Mikrostrip dengan Struktur Hairpin

## Design and Realization Microstrip Bandpass Filter with Hairpin Structure
Teguh Praludi * dan Yaya Sulaeman
Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia. Komp LIPI Gd 20, Jl Sangkuriang 21/54D, Bandung 40135, Indonesia

## Abstrak
Kebutuhan akan sebuah filter dalam sebuah rangkaian elektronik mutlak diperlukan, dikarenakan sesuai dengan fungsi filter adalah  meloloskan  frekuensi  yang  diinginkan  dan  akan  menahan  frekuensi  yang  tidak  diinginkan.  Desain  dan  realisasi  filter bandpass menggunakan  teknologi  mikrostrip  dengan  struktur hairpin akan  dipaparkan  pada  makalah  ini.  Strukur hairpin merupakan  perbaikan dari  filter yang  menggunakan parallel  coupled bila ditinjau  dari  sisi  dimensi  sebuah  filter,  di  mana  pada struktur hairpin ini,  panjang  dari stripline akan  dilipat  membentuk  huruf  U  sebesar  ½  λ  dengan  sudut  lekukan  90 o .  Filter bandpass struktur hairpin dengan teknologi mikrostrip akan didesain dengan insertion loss ≤ -3 dB pada daerah passband , return loss ≥  -20  dB,  lebar bandwidth 200  MHz,  impedansi  karakteristik  50  Ω,  frekuensi  kerja  2,9–3,1  GHz  dengan  respon  filter Chebyshev 0,1 dB. Filter bandpass yang didesain menggunakan bahan dari roger RO4350 yang mempunyai ketebalan 1,44 mm, dan  permitivitas  relatif  (ε r )  =  3,77.  Filter bandpass struktur hairpin ini  dirancang  dan  disimulasikan  dengan  menggunakan perangkat lunak ADS ( Advanced Design System ) dari Agilent.
Kata kunci: filter bandpass , hairpin , mikrostrip.

## Abstrack
The filter in an electronic circuit is absolutely necessary, because according to the filter function which passes the desired frequency  and  will  block  unwanted  frequencies.  Design  and  realization  of  band  pass  filter  using  microstrip  technology  with hairpin structure will be presented in this paper. Hairpin structure is an improvement over the use of parallel coupled filter when it  is  reviewed  from  the  filter  dimensions,  where  in  this  hairpin  structure,  the  length  of  the  stripline  will  befolded  to  form“U” letters  as  big  as ½  λ with  the  angle  curve  of  90 o .  The  hairpin-structured  bandpass  filter  with  microstrip  technology  will  be desained  with  insertion  loss  ≤  -3  dB  for  range  passband,  return  loss  ≥  -20  dB,  bandwidth  200  MHz,  uses  characteristic impedance 50 Ω, with frequency range of 2.9–3.1 GHz with respon Chebysev 0.1 dB, and center frequency 3 GHz. Design and realization of this bandpass filter uses substrate RO4350 from roger corp, with thickness  of 1.44 mm, and effective permittivity (ε r ) = 3.77. Design of bandpass filter and simulation uses software ADS (Advanced Design System).
Keywords: b andpass filter, hairpin, microstrip.

## I. P ENDAHULUAN
Tapis  (filter)  atau electronic  filter adalah  rangkaian elektronik yang berfungsi untuk memproses (menyaring, meneruskan,  dan  meredam)  suatu  sinyal  (misal: komponen frekuensi, dan data) yang diinginkan dan/atau tidak  memproses  (membuang,  menahan,  meloloskan) sinyal  yang  tidak  diinginkan  [1].  Filter  dapat  didesain dengan berbagai cara dan komponen. Filter dapat dibuat dengan menggunakan elemen-elemen terbungkah ( lumped  element )  yaitu  kapasitor  dan  induktor  yang dihubungkan dengan menggunakan jalur yang dicetak di atas printed  circuit  board (PCB),  dan  juga  dapat  dibuat dengan  menggunakan  teknologi  mikrostrip.  Filter dengan menggunakan lumped element biasanya digunakan untuk frekuensi rendah. Sedangkan jenis filter
untuk  frekuensi  tinggi  biasa  menggunakan  mikrostrip. Filter bandpass dengan  teknologi  mikrostrip  ini  bekerja pada frekuensi 3 GHz ( S -band), dan dapat diaplikasikan pada receiver pada  radar  yang  bekerja  pada  jangkauan frekuensi 2-4 GHz.

## II. D ASAR T EORI

## A. Parameter Filter
Bandwidth atau  lebar  pita  adalah  daerah  frekuensi saat sinyal yang melewati filter dapat diteruskan dengan redaman  sekecil  mungkin.  Rentang  frekuensi  yang diapit di antara dua frekuensi potong ( cut-off frequency ) disebut  frekuensi passband, sedangkan  frekuensi  yang tidak  diloloskan  disebut  dengan stopband. Return  loss adalah  perbandingan  antara  daya  yang  tersedia  dari sumber  terhadap  daya  yang  dipantulkan  kembali  oleh beban. Return  loss dapat  terjadi  karena  tidak  sesuainya impedansi  antara  saluran  transmisi  dengan  beban.  Pada saat  pengukuran return  loss dapat  dilihat  melalui  nilai S 11 .  Selain  itu  terdapat  parameter  lain  dari  filter  yaitu insertion  loss yang  dapat  didefinisikan  sebagai perbandingan  antara  daya  yang  tersedia  dari  sumber
PPET - LIPI doi : 10.14203/jet.v13.33-37
dengan  daya  keluaran  filter  ke  beban  [1].  Pada  saat pengukuran insertion loss dapat dilihat melalui nilai S 21 . Filter bandpass adalah  sebuah  filter  yang  berfungsi untuk  meloloskan  frekuensi  pada range tertentu, sehingga akan terdapat dua buah frekuensi cut-off, yaitu frekuensi cut-off bawah dan frekuensi cut-off atas.

## B. Mikrostrip
Saluran  transmisi  mikrostrip  adalah  konduktor  tipis dengan  lebar w yang  dicetak  pada  bagian  atas  substrat berdielektrik dengan permitivitas relatif  r , tebal substrat h, tebal mikrostrip t, dan tan  (juga disebut loss tangent atau tangen  delta ).  Substrat  tersebut  memiliki ground plane pada sisi yang berlawanan dengan jalur mikrostrip [2].  Di  atas  strip  adalah  udara  sehingga  bila  tanpa shielding sebagian medan elektromagnetik akan meradiasi, dan sebagian lagi ada yang masuk kembali ke dalam  substrat  dielektrik.  Jadi  ada  dua  dielektrik  yang melingkupi strip: udara dengan konstanta dielektrik satu dan  substrat  dengan  konstanta  dielektrik  r  1.  Dengan demikian  saluran  mikrostrip,  secara  keseluruhan,  dapat kita  pandang  sebagai  sebuah  saluran  dengan  dielektrik homogen yang lebih besar dari satu tapi lebih kecil dari  r [3].
Gambar  1. Saluran Mikrostrip.

## C. Konstanta Dielektrik Efektif
Pada  mikrostrip  terdapat  pengaruh  oleh  dielektrik yang  ditimbulkan  oleh  udara  dan  substrat  sehingga strukturnya  tidak  homogen,  maka  diperlukan  konstanta dielektrik  relatif  sebagai  pengganti,  untuk  menentukan hambatan karakteristik. Konstanta dielektrik relatif dapat dianggap sebagai konstanta dielektrik medium homogen pengganti  medium  udara  dan  substrat  dengan  h  (tinggi substrat),  w  (ketebalan  mikrostrip)  dan  konstanta dielektrik ( ε r ), pada saluran mikrostrip untuk menentukan  konstanta  dielektrikefektif  dapat ditentukan dengan  menggunakan  persamaan Hammersted dan Jansen [2]  seperti  yang  diperlihatkan  pada  Persamaan (1) dan (2).
  ( ) (1)
dengan:
[ ( ) ] [    ( ) ]
(   ) (2)

## D. Impedansi Karakteristik
Impedansi karakteristik adalah fungsi dari lebar strip penghantar,  tebal  bahan  dielektrik  dari  permukaan sampai  bidang  tanah (ground  plane) dan  homogenitas bahan  dielektrik  (dinyatakan  ε eff )  [4].  Karakteristik transmisi  pada  mikrostrip  ditentukan  oleh  konstanta dielektrik dan impedansi karakteristik. Untuk menentukan  besarnya  impedansi  karakteristik  saluran, dapat digunakan Persamaan (3) dan (4).
√ [ ⁄ ] untuk w/h ≤ 1 (3)
√ * ( )+ (4)
untuk w/h > 1

## III. D ESSAIN DAN R EALISASI

## A. Hairpin
Dasar  dari  mikrostrip  dengan  model hairpin ini adalah  dari  desain  mikrostip  pada parallel  coupled , tetapi  dengan  menekuk  jalur  mikrostrip  menjadi  dua seperti  huruf  “U”,  dengan  sudut  lekukan  sebesar  90 o , tujuannya  adalah  memanfaatkan  ruang  yang  ada sehingga akan didapatkan dimensi yang lebih kecil. Pada Gambar  2  ditunjukkan  sebuah  saluran hairpin tunggal, dengan α dinamakan sudut lekukan [3].
Gambar 2. Pole Tunggal Hairpin .
Gambar 3. Filter Hairpin Lima Pole .
λ α
-50 -40 -30 -20 -10 0 2 2.5 3 3.5 4 R esp o n S 11 dan S 21 ( dB ) Frekuensi (GHz)
S11(simulasi) S21(simulasi) S11(pengukuran) S21(pengukuran)
Sedangkan  pada  Gambar  3  diperlihatkan  susunan stripline hairpin yang  menggunakan  lima  buah resonator [4].

## B. Spesifikasi Filter
Parameter substrat sangat mempengaruhi spesifikasi filter yang akan dirancang, pada paper ini menggunakan substrat  RO4350  dengan  spesifikasi  sebagai  berikut: konstanta dielektrik, ε r = 3,77, ketebalan substrat  ( H) = 1,44  mm, ketebalan  mikrostrip  ( T)  =  0,035  mm ,  loss tangent ( tan  = 0.004, dengan lebar bandwidth = 200 MHz.  Dalam  menentukan  dimensi  dari  mikrostrip terlebih  dahulu  dicari  besarnya  nilai  respon chebyshev untuk 5 buah pole resonator [5] – [8].
g 1 = 2 sin π 2n (5)
g i = 1 g i-1 x 4 sin [ ( 2i-1 ) π 2n ] sin [ ( 2i -3 ) π 2n ] 2  sin2 [ ( i-1 ) π n ] (6)
=ln [ coth ( ripple 17,37 )]
=sinh 2n
T ABEL I E LEMEN C HEBYSHEV UNTUK R IPPLE 0,1 dB N g 1 g 2 g 3 g 4 g 5 1 0.3053 1.0000 2 0.8431 0.6220 1.3554 3 1.0316 1.1474 1.0316 1.0000 4 1.1088 1.3062 1.7704 0.8181 1.3554 5 1.1468 1.3712 1.975 1.3712 1.1468
Tabel  1  memperlihatkan  respon  filter Chebyshev dengan ripple 0,1  dB  untuk  banyaknya  resonator  dari satu sampai lima pole. Selanjutnya dilakukan perhitungan  besarnya  impedansi  mode even dan  mode odd [6].
FBW = f 2- f 1 f 1 (7) Z 0 J 1 = π FBW 2g1
(8)
Z 0 J n = π FBW 2 √ g n-1gn (9)
Z 0 J N 1 = πFBW 2gNgN 1 (10)
dengan n = 2,3,……. N
Selanjutnya  dihitung  nilai  Z 0e dan  Z 0o dengan menggunakan Persamaan (11) dan (12):
(Z 0e ) n = Z 0 [1 + JZ 0 + (JZ 0 ) 2 ] (11)
(Z 0o ) n = Z 0 [1 - JZ 0 + (JZ 0 ) 2 ] (12) T ABEL II M ODE E VEN DAN M ODE O DD Orde ZoJn Z 0e (Ohm) Z 0o (Ohm) 1 0,1985 61,8951 42,0451 2 0,3218 71,2677 39,0877 3 0,2452 65,2661 40,7461 4 0,2452 65,2661 40,7461 5 0,3218 71,2677 39,0877 6 0,1985 61,8951 42,0451
Pada  Tabel  2  ditunjukkan  besarnya  mode even dan mode odd yang  menggambarkan  besarnya  efek  kopling yang  terjadi  di  antara  dua resonator yang  saling berdekatan.  Selanjutnya,  dengan  menggunakan  linecal yang  terdapat  pada  ADS,  didapatkan  dimensi  dari mikrostrip dengan lebar (w) = 2,8 mm, jarak antara dua resonator (s)  =  0,88  mm  dan  panjang  (L)  =  14,76  mm. Kemudian  dilakukan  simulasi  dan  optimasi  untuk mendapatkan  hasil  yang  optimal  dari  filter  yang dirancang.
Gambar 4. Respon S 11 dan S 21 Lima Pole Hairpin.
Gambar 4 menunjukkan hasil simulasi dan realisasi sebuah  filter bandpass yang  menggunakan  teknologi mikrostrip  dengan  struktur hairpin yang  menggunakan lima  buah resonator ,  terjadi  pergeseran  frekuensi  kerja pada  filter  tersebut.  Data  dari  hasil  pengukuran  dan simulasi  dikonversikan  ke  dalam  microsoft  excel  untuk selanjutnya digabung dan dibandingkan. Frekuensi kerja menjadi  lebih  tinggi  bila  dibandingkan  dengan  hasil simulasi.  Hasil  simulasi  dan  realisasi  filter bandpass tersebut  pada  frekuensi  kerja  3  GHz  ditampilkan  pada Tabel 3.
T ABEL III R ESPON S 11 DAN S 21 PADA L IMA R ESONATOR
Jumlah resonator Lima Hairpin Insertion Loss Simulasi ( S 11 ) (dB) -1,46 Insertion Loss Realisasi ( S 11 )  dB) -1.56 Return Loss Simulasi ( S 21 ) (dB) -22,06 Return Loss Realisasi ( S 21 ) (dB) -22,02
Seperti  yang  terlihat  pada  Tabel  3,  bahwa  respon insertion loss maupun return loss yang yang dihasilkan tidak  jauh  berbeda  antara  simulasi  dan  realisasi, meskipun untuk hasil simulasi masih mempunyai respon yang  lebih  baik.  Sedangkan  nilai  terbaik insertion  loss dan return loss pada simulasi berada pada frekuensi 2,99 GHz dengan nilai insertion loss -1,45 dB dan return loss -26,91  dB.  Sedangkan  pada  realisasi  nilai  terbaik  pada frekuensi 3,050 GHz dengan insertion loss sebesar -1,32 dB dan return loss -42,21 dB, terjadi pergeseran sebesar 60 MHz.

## IV. H ASIL DAN A NALISA
Gambar 5. Hasil Simulasi S 11 .
Pada Gambar 5 diperlihatkan gambar hasil simulasi dari S 11 yang  menggunakan  ADS,  terlihat  bahwa  pada frekuensi 2,9 GHz dihasilkan nilai return loss -4,477 dB dan pada frekuensi 3,1 GHz sebesar  -4,475 dB.
Pada  Gambar  6  ditunjukkan  gambar  hasil  simulasi dari S 21 yang  menggunakan  ADS,  terlihat  bahwa  pada frekuensi 2,9 GHz dihasilkan nilai return loss -4,554 dB dan pada frekuensi 3,1 GHz sebesar  -4,366 dB.
Gambar 7. Hasil pengukuran respon S 11 filter hairpin lima resonator
Pada  Gambar  7  ditunjukkan  hasil  pengukuran  dari realisasi filter bandpass untuk respon S 11 pada frekuensi 2,9  GHz  sebesar  -2,69  dB  dan  pada  frekuensi  3,1  GHz sebesar  -16,36  dB.  Nilai  terbaik  didapat  pada  frekuensi 3,05 GHz dengan respon yang dihasilkan -42,21 dB.
Gambar 8. Hasil Pengukuran Respon S 21 Filter Hairpin Lima Resonator.
Pada  Gambar  8  ditunjukkan  hasil  pengukuran  dari realisasi filter bandpass untuk respon S 2 1 pada frekuensi 2,9  GHz  sebesar  -8,10  dB  dan  pada  frekuensi  3,1  GHz sebesar  -1,62  dB.  Nilai  terbaik  didapat  pada  frekuensi 3,05 GHz dengan respon yang dihasilkan -1,32 dB.
Gambar 9. Realisasi Filter Bandpass .
Gambar 10. Realisasi Filter Bandpass dengan S hielding.
Pada  Gambar  9  diperlihatkan  realisasi  dari  sebuah filter bandpass  hairpin yang  menggunakan  teknologi mikrostrip  dalam  bentuk  terbuka,  sedangkan  pada Gambar  10  diperlihatkan  bahwa  filter  tersebut  telah diberi shielding (penutup).

## K ESIMPULAN
Telah  dilakukan  beberapa  kali  simulasi,  kemudian dilakukan optimasi untuk mendapatkan nilai respon yang terbaik  pada filter bandpass dengan  struktur hairpin yang bekerja pada frekuensi 2,9–3,1 GHz. Hasil realisasi
dapat  dilihat  pada  Gambar  8  dan  Gambar  9.  Besarnya insertion  loss pada  simulasi  -1,46  dB  sedangkan  pada realisasi  besarnya insertion  loss -1,56  dB  terdapat perbedaan  sebesar  0,01  dB.  Untuk  respon return  loss pada simulasi -22,06 dB sedangkan pada realisasi -22,02 dB,  terdapat  perbedaan  sebesar  0,04  dB.  Nilai  respon terbaik insertion loss pada simulasi -1,45 dB berada pada frekuensi 2,99 GHz, sedangkan untuk return loss sebesar -27,19  dB  berada  pada  frekuensi  2,98  GHz.  Pada realisasi filter bandpass ini respon yang terbaik dari hasil pengukuran  berada  pada  frekuensi  3,05  GHz  dengan respon insertion loss -1,32 dB  dan return loss sebesar -42,21 dB.
D AFTAR P USTAKA
[1] D.  M.  Pozar ,  Microwave  Engineering, John  Wiley  &  Sons  inc, 1998.
[2] J.  S.  Hong, Microstrip  Filters  for  RF/Microwave  Applicatios , John Wiley & Sons, 2011.
[3] H.  Madan, Design  Of  Microstrip  Bandpass  Filters ,  College  of Engineering, Pune, 2007.
[4] K.Vidhya  and  T.Jayanthy  "design  of  microstrip  hairpin  band pass  filter  using  defected  ground  structure  and  open  stubs"  in Proc.  International  Conference  on  Information  and  Electronics Engineering, IPCSIT , vol. 6 (2011), 268 – 272.
[5] S. Seghier, N. Benabdallah, N. Benahmed, F. T Bendimerad and K.  Aliane,“Design  and  Optimization  of  Parallel  Coupled Microstrip  Bandpass  Filter  for  FM  Wireless  Applications” ,  The Computing  Science  and  Technology  International  Journal ,  vol. 2, no. 1, march,  2012.
[6] N. Toledo, “Practical Techniques for designingMicrostrip tapped hairpin resonator filters on FR4 laminate” , in 2nd National ECE Conference , Manila, Philippines, November 2001 .
[7] S.Y.  Lee  and  C.M.Tsai,  "New  cross-coupled  filter  design  using improved hairpin resonators", IEEE Transactions on Microwave Theory and  Techniques ,  vol.  48,  no. 12,  pp.  2482 –  2490,  Dec. 2000.
[8] G.L.  Matthaei“Narrow-Band,  Fixed-Tuned,  and  Tunable Bandpass  Filters  With  Zig–Zag  Hairpin–Comb  Resonators”, IEEE  Transactions  on  Microwave  Theory  and  Techniques ,  vol. 51, no. 4, Apr. 2003.
.